微型数字传声器技术与发展（上）

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1  引言
近几年中国微型传声器产业正在飞速增长，尤其微型数字传声器的应用需求日益高涨，作为传声器技术的一个重要分支，在目前快速发展的手机、笔记本式计算机、平板计算机等多种数字消费领域中有着非常广阔的应用前途，并且已经显示出加速发展的趋势。下面重点介绍此类微型数字传声器的技术与发展。
2  微型数字传声器技术
2.1微型数字传声器原理
数字传声器，顾名思义就是直接输出数字脉冲信号的传声器电声器件。从应用角度来划分，可以分为两类：一类为USB接口的数字传声器，其核心电声换能器件仍为模拟音频输出信号，经过USB接口音效芯片转换为PC格式的数字信号输出接口，此类传声器多数作为PC周边配套外设，如USB接口录音传声器、USB接口耳麦等，严格说来，此类数字传声器应称为数字接口传声器。另一类为真正意义上的数字传声器，此类传声器采用内置阻抗变换、前置增益、A/D编码器的IC芯片，作为电声换能器件直接输出的便是脉冲数字信号，可以直接与相应的编解码芯片( CODEC)进行数字信号的传输。数字传声器接口原理如图1

图1  数字传声器接口原理图

随着计算机技术对广大消费电子领域的日益渗透，数字技术在音视频领域的应用已经无处不在。早期音频处理芯片均采用模拟传声器接口技术，由音效芯片的A/D部分完成模拟音频信号到数字信号的转换。由于数字技术的日渐成熟，越来越多的IC设计公司开始设计出带数字传声器接口的新型音频芯片( HAD CODEC)及DSP芯片，由此推动了微型数字传声器的研发与应用。
2.2数字传声器A/D变换原理
目前国际上IC厂商推向市场的内置式数字传声器IC芯片普遍采用∑一△模数转换编码格式，此编码格式与相关应用设备采用的DSP及CODEC芯片的数字传声器输入接口格式相兼容。
与常规PCM编码器不同，∑一△变换采用过取样技术，将信号按时间分割，保持幅度恒定，具有高取样率、噪声整形和比特字长短的特点。变换可以在高取样率、低分辨率的量化器中进行，可广泛用于音频信号数字化的∑一△模数编码器（ADC)及数字信号还原为模拟音频信号的∑一△数模解码器( DAC)。

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∑一△变换时根据采用的具体结构可采用I bit或多比特变换，目前数字传声器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit变换技术，克服了采用多比特变换时所带来的量化非线性误差、纠错困难的缺点。
数字传声器结构及模数转换芯片原理见图2。


图2 数字传声器结构及模数转换芯片原理图
2.2.1∑一△转换器
模拟信号转换成PCM信号，根据奈奎斯特准则，通常必须用大于采样样本最高频率2倍以上的固定采样率对模拟信号采样后进行量化编码，每个采样点可以用多位比特的数据量化。量化比特数越多，采样精确越高，失真越小，但是电路会变复杂，成本相对增高，不适合低成本数字传声器模数转换应用。微型数字传声器通常采用1位∑一△模数转换器，对模拟信号进行过采样（只能用于带宽有限的信号，不适合宽频信号，例如视频信号），采样率由外部时钟提供。过采样可使量化噪声远离被采样的音频信号。离信号主频?s越近，噪声幅度越小。同时对抗混叠滤波器的要求大大降低，可以达到很高的精度，具体原理及时序图分别见图3和图4。


图3  l bit∑一△转换器


图4 ∑一△转换器时序图

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2.2.2取样时钟与音频带宽上限的关系
微型数字传声器音频带宽( BW)上限取决于时钟( CLK)与2倍过采样率(OSR)之比。l bit∑一△转换器(ADC)的过采样率OSR= 60。音频带宽计算公式如下
BW= CLK/(2×60)    (1)
例如：1.2 MHz clk→BW= 1.2 M/(2 x60)=10 kHz
取样时钟与音频带宽上限的关系见表1。


表1  取样时钟频率与音频带宽上限对应表
2.3微机电(MEMS)数字传声器
业内人士分析，2012年以后，微机电( MEMS)传声器市场将真正开始走上发展快车道。微机电( MEMS)传声器尤其是微机电(MEMS)数字传声器的大量新应用已经涌现出来。包括：手持设备、有源降噪耳机、录音机、摄像机、用于VoIP的笔记本式计算机、数码相机、MP3播放机和交互式游戏机。广泛应用于消费电子产品的语音控制被认为是一个利润丰厚的市场。汽车上的免提通信和导航设备也是微机电( MEMS)传声器一个具有增长潜力的市场。
虽然驻极体( ECM)数字传声器较微机电(MEMS)数字传声器目前还有一定的价格优势，但是微机电( MEMS)数字传声器在尺寸(小至2.6 mm×1.6 mm×1.0 mm)、结构（后进声形式）、耐热性（可回流焊）以及长期稳定性上都具有较大优势，仍是新型数字消费产品设计时优先考虑的电声采购器件。